1、化工熱力學制冷1第1頁，共56頁，2022年，5月20日，1點4分，星期二6 蒸汽動力循環與制冷循環 6.1 蒸汽動力循環 6.2 氣體的壓縮 6.3 膨脹過程 6.4制冷循環 6.5 深度冷凍循環 第2頁，共56頁，2022年，5月20日，1點4分，星期二 6.4制冷循環6.4.1 蒸汽壓縮制冷循環6.4.2 吸收制冷循環6.4.3 熱泵及其應用 第3頁，共56頁，2022年，5月20日，1點4分，星期二173K稱為普通冷凍簡稱普冷，把TL173K稱為深度冷凍簡稱深冷。第8頁，共56頁，2022年，5月20日，1點4分，星期二6.4制冷循環6.4.1 蒸汽壓縮制冷循環1. 逆卡諾循環-理想的

2、可逆制冷循環冷 凝 器 蒸 發 器壓縮機膨脹機121234THTL0S4S1QH3Q04第9頁，共56頁，2022年，5月20日，1點4分，星期二6.4制冷循環6.4.1 蒸汽壓縮制冷循環 循環過程： 1-2：絕熱可逆壓縮，P1-P2，TL-TH，消耗外功，等熵過程； 2-3：等溫可逆放熱過程； 3-4：絕熱可逆膨脹， P2-P1，TH-TL ，對外作功，等熵過程； 4-6：等溫可逆吸熱過程。第10頁，共56頁，2022年，5月20日，1點4分，星期二6.4制冷循環6.4.1 蒸汽壓縮制冷循環 循環過程的制冷系數第11頁，共56頁，2022年，5月20日，1點4分，星期二6.4制冷循環6.4.

3、1 蒸汽壓縮制冷循環1234THTL0S4S1第12頁，共56頁，2022年，5月20日，1點4分，星期二6.4制冷循環6.4.1 蒸汽壓縮制冷循環 討論：第13頁，共56頁，2022年，5月20日，1點4分，星期二冷凝、冷卻器蒸發器壓縮機節流閥12543TS54123(飽和l)(濕蒸汽)(飽和g)(飽和g)等焓線等壓線過熱蒸氣6.4制冷循環6.4.1 蒸汽壓縮制冷循環第14頁，共56頁，2022年，5月20日，1點4分，星期二6.4制冷循環6.4.1 蒸汽壓縮制冷循環2. 單級蒸汽壓縮制冷循環 循環的構成冷 凝 器蒸 發 器壓縮機節流閥12Q0QH34T0S1234P1P2第15頁，共56頁

4、，2022年，5月20日，1點4分，星期二6.4制冷循環6.4.1 蒸汽壓縮制冷循環3-4：飽和液體的節流膨脹過程，為等焓過程。其余同逆卡諾循環。 制冷系數 裝置的制冷能力：功耗：第16頁，共56頁，2022年，5月20日，1點4分，星期二6.4制冷循環6.4.1 蒸汽壓縮制冷循環制冷機所消耗的理論功率制冷系數 制冷劑的選擇： 蒸發潛熱要大；蒸發壓力要低且相應的飽和蒸汽壓大于大氣壓力，常溫下冷凝壓力要低；較高的臨界溫度和較低的凝固溫度；較強的化學穩定性。第17頁，共56頁，2022年，5月20日，1點4分，星期二6.4制冷循環 6.4.1 蒸汽壓縮制冷循環 常用的制冷劑有：氨、氟氯烴、二氧化碳

5、、乙烷、乙烯等。 注意：1987年蒙特利爾會議上，起草制訂保護臭氧層的協議，提出限定五種氟氯烴的生產。即氟氯烴的書寫：氟氯烴的商品名稱符號書寫：第18頁，共56頁，2022年，5月20日，1點4分，星期二6.4制冷循環6.4.1 蒸汽壓縮制冷循環多級蒸汽壓縮制冷循環 為了獲得較低的低溫，壓縮比較大時。如氨蒸發溫度248-208K時，采用兩級壓縮制冷循環，低于208K時采用三級。 以兩級蒸汽壓縮制冷循環為例第19頁，共56頁，2022年，5月20日，1點4分，星期二6.4制冷循環6.4.1 蒸汽壓縮制冷循環低壓蒸發器水冷器中間冷卻器中壓蒸發器低壓氣缸高壓氣缸高壓冷卻器節流閥節流閥12234578

6、T0S122345678P1P2P26第20頁，共56頁，2022年，5月20日，1點4分，星期二6.4制冷循環6.4.1 蒸汽壓縮制冷循環4. 復迭式壓縮制冷循環 若蒸發壓力過低或制冷劑凝固溫度的限制，不可能獲得更低的低溫，可采用復迭時制冷循環。為多個單級壓縮制冷循環的串聯操作。如石油裂解分離中廣泛采用的氨-乙烯復迭式制冷，乙烯在蒸發器中可提供-1000C的低溫。第21頁，共56頁，2022年，5月20日，1點4分，星期二6.4制冷循環6.4.1 蒸汽壓縮制冷循環6.4.2 吸收制冷循環6.4.3 熱泵及其應用 第22頁，共56頁，2022年，5月20日，1點4分，星期二6.4制冷循環 6.

7、4.2 吸收制冷循環 消耗熱能，利用二元溶液中各組分蒸汽壓不同來實現制冷的。即使用在一定壓力下各組分的揮發性（或蒸汽壓）不同的溶液為工質，以揮發性大（蒸汽壓大）的組分為制冷劑，而揮發性小的組分為吸收劑。 工質：二元溶液，如氨-水(-660C- -460C)、水-溴化鋰(0-60C)溶液等。第23頁，共56頁，2022年，5月20日，1點4分，星期二6.4制冷循環 6.4.2 吸收制冷循環 冷 凝 器蒸 發 器壓縮機節流閥12Q0QH34吸收器換熱器解吸器泵冷 凝 器節流閥蒸 發 器1冷卻水Q0Q冷卻水234QH第24頁，共56頁，2022年，5月20日，1點4分，星期二6.4制冷循環6.4.2

8、 吸收制冷循環 吸收制冷裝置的經濟技術指標用熱能利用系數表示 氨-水吸收制冷循環壓力：再生器壓力由冷凝器中氨冷凝溫度決定，吸收器壓力由蒸發器液氨蒸發壓力決定；溫度：再生和吸收溫度分別由熱源和冷卻水溫度決定。即分別由其他給定條件決定，因此濃、稀氨水的濃度不能隨意變動。 優點：直接利用熱能，且品位較低。第25頁，共56頁，2022年，5月20日，1點4分，星期二吸收器換熱器解吸器泵冷 凝 器節流閥蒸 發 器1冷卻水Q0Q冷卻水234QH6.4制冷循環6.4.2 吸收制冷循環 第26頁，共56頁，2022年，5月20日，1點4分，星期二 吸收制冷裝置的經濟技術指標用熱能利用系數表示 如：氨-水吸收制

9、冷循環中壓力：再生器壓力由冷凝器中氨冷凝溫度決定，吸收器壓力由蒸發器液氨蒸發壓力決定；溫度：再生和吸收溫度分別由熱源和冷卻水溫度決定。即分別由其他給定條件決定，因此濃、稀氨水的濃度不能隨意變動。 優點：直接利用熱能，且品位較低。6.4制冷循環6.4.2 吸收制冷循環 第27頁，共56頁，2022年，5月20日，1點4分，星期二6.4制冷循環6.4.1 蒸汽壓縮制冷循環6.4.2 吸收制冷循環6.4.3 熱泵及其應用 第28頁，共56頁，2022年，5月20日，1點4分，星期二6.4制冷循環6.4.3 熱泵及其應用 熱泵：消耗機械功，完成熱能從低溫區傳向高溫區并維持高于環境溫度的裝置。 工作原理

10、：同蒸汽壓縮制冷循環過程。 不同點：工作目的與操作的溫度范圍。 應用：工業上用于廢熱回收，家用空調等。 性能指標：供熱系數HP第29頁，共56頁，2022年，5月20日，1點4分，星期二6 蒸汽動力循環與制冷循環 6.1 蒸汽動力循環 6.2 氣體的壓縮 6.3 膨脹過程 6.4制冷循環 6.5 深度冷凍循環 第30頁，共56頁，2022年，5月20日，1點4分，星期二 深度冷凍循環的目的就是獲得低溫度液體，由純物質的P-T相圖知：當氣體溫度高于其臨界溫度時，無論加多大的壓力都不能使其液化，因此，氣體的臨界溫度越低，所需的液化溫度也越低。為了使這些難液化的氣體液化，必須設法將其溫度降低到臨界溫

11、度以下，這就需要深度冷凍。利用一次節流膨脹液化氣體是最簡單的氣體液化循環。1896年德國工程師Linde首先應用此法液化空氣，故稱為簡單的林德循環 6.5 深度冷凍循環 第31頁，共56頁，2022年，5月20日，1點4分，星期二6.5 深度冷凍循環 流體P熔化曲線固相 汽 化 曲線三相點升華曲線液相ABCT0 圖2-2 純流體的P-T圖TC123PC氣相VVc汽相第32頁，共56頁，2022年，5月20日，1點4分，星期二6.5 深度冷凍循環 林德循環（Linde Cycle） 工作原理和T-S圖 此系統由壓縮機、冷卻器、換熱器、節流閥與氣液分離器組成 第33頁，共56頁，2022年，5月2

12、0日，1點4分，星期二林德循環（LindeCycle） 1-2 常溫T1、常壓P1的氣體經過壓縮至高壓P2（由于壓縮比很大，實際上是多級壓縮組成的，可視為等溫壓縮），高壓氣體經冷卻器冷至常溫T1（2）。2-3 經換熱器冷卻到適當的溫度（點3）。3-4 經節流閥膨脹變為壓力為P1的氣液混合物(4)4-5 送入氣液分離器，飽和液體(0)沉降于分離器底部，未液化的氣體（點5）送入熱交換器與點2的高壓氣體換熱，自身溫度回升返回到壓縮機。 6.5 深度冷凍循環 第34頁，共56頁，2022年，5月20日，1點4分，星期二林德循環（LindeCycle） 深冷與普冷是有區別的。主要表現在： 普冷：兩個封閉

13、式循環，制冷循環與被冷物系是兩種物質，是封閉循環。 深冷：制冷循環與分離、液化物質是同一 種物質，且是不封閉循環 6.5 深度冷凍循環 第35頁，共56頁，2022年，5月20日，1點4分，星期二林德循環（LindeCycle） 熱力學計算（以處理1Kg氣體為基準） 林德循環的基本計算主要是液化量、耗功量和制冷量 。 氣體液化量（液化率）x 定義：液化率就是1Kg被處理的氣體所能產生的液體Kg數 6.5 深度冷凍循環 第36頁，共56頁，2022年，5月20日，1點4分，星期二 林德循環（LindeCycle） 6.5 深度冷凍循環 取換熱器、節流閥、氣液分離器為研究體系 第37頁，共56頁，

14、2022年，5月20日，1點4分，星期二 由熱力學第一定律 林德循環（LindeCycle） 6.5 深度冷凍循環 第38頁，共56頁，2022年，5月20日，1點4分，星期二 這是理論液化量，實際中由于考慮到換熱器的不完全換熱，造成的損失稱為溫度損失Q2；以及系統保溫不良造成的冷量損失Q3，所以較理論量少。實際液化量為 林德循環（LindeCycle） 6.5 深度冷凍循環 第39頁，共56頁，2022年，5月20日，1點4分，星期二 林德循環（LindeCycle） 6.5 深度冷凍循環 制冷量 在穩定操作下，液化xKg氣體所取走的熱量 理論制冷量實際制冷量第40頁，共56頁，2022年，

15、5月20日，1點4分，星期二 功耗 液化循環裝置的功量消耗是用于對氣體的壓縮。如果按理想氣體的可逆等溫壓縮考慮，對體系所作軸功為 T壓縮機的等溫壓縮效率，一般按經驗可取 0.59. 林德循環（Linde Cycle） 6.5 深度冷凍循環 比功: 每液化1Kg的氣體所消耗的功稱為比功(耗)第41頁，共56頁，2022年，5月20日，1點4分，星期二 制冷系數 一次節流液化循環比較簡單，但效率很低。目前只有小型氣體分離，液化裝置如小型空分裝置還有使用. 林德循環（LindeCycle） 6.5 深度冷凍循環 第42頁，共56頁，2022年，5月20日，1點4分，星期二 在簡單的林德循環中，由于高

16、壓氣體的相對量大和熱容大，用未冷凝的低壓氣體無法將其冷卻到足夠的低溫，克勞德循環通過增設一臺膨脹機來解決這一矛盾 6.5 深度冷凍循環克勞德循環（Claude Cycle ） 第43頁，共56頁，2022年，5月20日，1點4分，星期二1）工作原理和T-S圖 6.5 深度冷凍循環克勞德循環（Claude Cycle ） 123 1-M456789x換熱器。節流閥汽液分離器膨脹機壓縮機12679843T0S第44頁，共56頁，2022年，5月20日，1點4分，星期二6.5 深度冷凍循環 克勞德循環（Claude Cycle ） 高壓氣體經冷卻器和第一換熱器冷卻后（3點），一部分經第二、第三換熱器

17、冷卻到節流膨脹所需的低溫（6點），另一部分送進膨脹機作功，膨脹后的低溫氣體（4點）與第三換熱器來的低壓氣體合并，送入第二換熱器作冷卻介質用。采用這一措施，減少了高壓氣體的量，增加了作為冷卻介質的低壓氣體的量，因而可將高壓氣體冷卻到更低的溫度，從而提高了液化率，同時還可以回收一部分有用功。但要注意，高壓氣體進膨脹機的狀態要慎重選定，保證膨脹后不產生液體，以防引起破壞性震動。 第45頁，共56頁，2022年，5月20日，1點4分，星期二克勞德循環的優點主要表現在： 減少了高壓氣體量，增加了作為冷卻介質的低壓氣體量，增加了冷凍量； 提高了液化率； 回收了部分功。 6.5 深度冷凍循環克勞德循環（Cl

18、aude Cycle ） 第46頁，共56頁，2022年，5月20日，1點4分，星期二 2）熱力學計算 液化量x： 以圖中虛線作為研究體系 6.5 深度冷凍循環克勞德循環（Claude Cycle ） T0S126798434123 1-M456789x換熱器。節流閥汽液分離器膨脹機壓縮機第47頁，共56頁，2022年，5月20日，1點4分，星期二6.5 深度冷凍循環克勞德循環（Claude Cycle ） 若考慮不完全熱交換損失Q2和系統的冷損失Q3，實際的液化量為123 1-M456789x換熱器。節流閥汽液分離器膨脹機壓縮機第48頁，共56頁，2022年，5月20日，1點4分，星期二6.

19、5 深度冷凍循環克勞德循環（Claude Cycle ） 第49頁，共56頁，2022年，5月20日，1點4分，星期二6.5 深度冷凍循環克勞德循環（Claude Cycle ） 制冷量Q0 理論制冷量： 實際制冷量： 與林德循環相比較，制冷量多出第50頁，共56頁，2022年，5月20日，1點4分，星期二6.5 深度冷凍循環克勞德循環（Claude Cycle ） 功耗WS 在理想情況下：壓縮為等溫過程，氣體在膨脹機中的膨脹過程是等熵過程，在圖中用3-4線表示。實際上由于各種損失使它偏離等熵過程，而是有熵增的過程，在圖中用線3-4表示 T0S126798434第51頁，共56頁，2022年，5月20日，1點4分，星期二功耗WS 在理想情況下：壓縮為等溫過程，氣體在膨脹機中的膨脹過程是等熵過程，在圖中用3-4線表示。實際上由于各種損失使它偏離等熵過程，而是有熵增的過程，在圖中用線3-4表示 6.5 深度冷凍循環克勞德循環（Claude Cycl